Разработка новых высокоэффективных технологий извлечения цветных, благородных и редких металлов из минерального и техногенного сырья с утилизацией побочных продуктов

Отчет 147 с., 54 рис., 25 табл., 1 приложение, 131 источник. СЕЛЕКТИВНОЕ ИЗВЛЕЧЕНИЕ, МИНЕРАЛЬНОЕ И ТЕХНОГЕННОЕ СЫРЬЕ, ЦВЕТНЫЕ И РЕДКИЕ МЕТАЛЛЫ, ПАВ, ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ, КИНЕТИКА. Объектами исследований являлись техногенные отходы глиноземного производства, минеральное полиметаллическое сульфидное сырье цветных металлов, поверхностно-активные вещества. Цель работы – разработка новых методов переработки упорных видов техногенного и минерального сырья для извлечения цветных, благородных и редких металлов с применением интенсифицирующих методов: введения в систему сульфидных минералов, образующих гальванические связи с минералами цветных металлов для создания каталитического эффекта; введения активирующих реагентов (Fe (III), Fe (II), Cu (II), Mg (II), NO3- и др.), усиливающих окислительный эффект; применения методов химической активации; использования поверхностно-активных веществ (ПАВ). В настоящее время красные шламы, являющиеся отходом глиноземного производства, содержат до 30-40 г/т Sc и практически не перерабатываются ввиду его низкого извлечения. Также красный шлам может использоваться в качестве сырья для производства железа, однако из-за высокого содержания оксида натрия и других примесей является непригодным для этого в текущем состоянии. В данной работе исследовали получение магнетита (Fe3O4) из гетита (FeOOH) с использованием ионов Fe2+ в высококонцентрированных щелочных средах. При этом одновременно извлекали Al и Na, что позволило получить продукт, содержащий более 96% Fe3O4 и сконцентрировать в 2 раза Sc в кеке. Исследовали возможность селективного кислотного извлечения редкоземельных элементов (РЗЭ) из пылей электрофильтров печей спекания глиноземного производства при повышенных значениях pH в присутствии катионов магния. Показано, что предварительное водное выщелачивание пыли позволяет провести концентрирование РЗЭ в 2 раза и значительно снизить содержание Na2O в твердом остатке. Селективное извлечение РЗЭ проводили при помощи разбавленных (pH 2-5) растворов серной кислоты с добавлением сульфата магния, который может выступать в качестве десорбента РЗЭ с поверхности минералов твердого остатка. При выщелачивании твердого остатка при температуре 80 оС, отношении Ж:Т=10:1 и продолжительности выщелачивания 60 мин при pH 2 извлекали более 75 % Sc. Извлечение железа и титана при этом не превышало 1-5 %. С целью разделения скандия с цирконием и титаном в растворах исследованы сорбционные характеристики коммерчески доступных низкоосновных анионитов: Purolite S-106, Purolite A-830 и Purolite RUA21207. Изучены равновесие и кинетика сорбции Ti, Zr, Sc; показано, что цирконий может быть практически нацело отделен от скандия. Предложена технологическая схема процесса предварительной сорбционной очистки скандиевого концентрата от Zr and Ti, полученного при извлечении скандия из сбросных сернокислых растворов производства пигментного диоксида титана. Изучен процесс азотнокислотного растворения природных минералов теннантита, халькопирита и сфалерита, характерных для упорных руд месторождений Урала, с введением в процесс ионов Fe (III) и FeS2. Установлено, что наиболее значимыми факторами при вскрытии минералов в изучаемом процессе являются концентрация азотной кислоты, концентрация ионов Fe (III) и количество FeS2. Определено, что совокупность введения ионов Fe (III) и FeS2 оказывают на процесс выщелачивания наибольший эффект. Установлено, что при азотнокислотном выщелачивании пирит может выступать в качестве каталитической поверхности для сульфидных минералов цветных металлов. За счёт образованная между минералами гальванической связи удаётся снизить влияние образующегося пассивирующего в процессе растворения сульфидов слоя элементной серы. Изучена кинетика растворения компактного образца арсенопирита в среде азотной кислоты с использованием модели полного факторного эксперимента. Показано, что концентрация азотной кислоты и температура оказывают наибольшее влияние. С увеличением концентрации азотной кислоты с 4 до 5 Моль и температуры с 318 К до 333 К скорости растворения железа и мышьяка увеличиваются в 30,1–30,4 раза. С помощью SEM–EDS и XPS-анализов определен механизм пассивации арсенопирита. В мягких условиях (концентрация азотной кислоты 3 М и температура 303 К) на поверхности арсенопирита образуются локальные конгломераты, содержащие полисульфиды железа (Fe2Sx), которые не создают диффузионных затруднений. При увеличении концентрации кислоты и температуры полисульфиды агрегируются, что приводит к образованию пассивирующей пленки, состоящей преимущественно из элементарной серы. Дальнейшее повышение параметров процесса приводит к утолщению и уплотнению пассивирующей пленки и снижению скорости растворения арсенопирита. Исследована кинетика поведения примесных и основных сульфидных минералов в полиметаллическом сульфидном сырье (ZnS, FeS2) в присутствии сульфата меди. Изучено влияние интенсивности перемешивания, температуры, начальных концентраций сульфата меди и серной кислоты и размера частиц на степень конверсии сульфидных минералов. Выявлено, что при гидротермальной обработке ZnS и FeS2 скорость реакций растворения замедляется ввиду уплотнения пленок твердых продуктов на поверхности частиц и процесс протекает во внутридиффузионном режиме. Установлено, что при автоклавном выщелачивании сульфидных минералов цветных металлов добавки поверхностно-активных веществ (ПАВ) могут препятствовать образованию пленок элементной серы на их поверхности. Используемые в промышленности ПАВ, в частности лигносульфонаты, характеризуются нестабильностью функционального действия. Установление причин, также, как и подбор новых поверхностно-активных веществ или их смесей, затрудняется не только сложностью автоклавного процесса (поли-ионность пульпы, высокие температуры, присутствие сильных окислителей), но и в силу недостаточной изученности поведения лигносульфонатов в водной среде. В работе идентифицирован состав ряда технических и очищенных лигносульфонатов. С учетом условий выщелачивания (температура (273 – 323 К, Н2SO4 (рН 2 – 4,5), полиэлектролитной природы, особенностей молекулярно-массового (Мw 9000 – 46000 Da) и элементного составов лигносульфонатов исследовано поведение ряда образцов в водном растворе. Установлено, что с увеличением молекулярной массы образцов уменьшается степень диссоциации макромолекул и их склонность к процессам гидролиза. В указанном ряду возрастает поверхностная активность лигносульфонатов на границе жидкость – газ. В связи с этим рекомендовано в промышленной практике в качестве наиболее эффективных добавок использовать высокомолекулярные технические образцы лигносульфонатов. На основании проведенных комплексных исследований разработаны новые способы интенсификации выщелачивания изучаемого упорного полиметаллического минерального и техногенного сырья, установлены оптимальные параметры эффективного вскрытия с высоким извлечением ценных металлов, выявлены новые физико-химические закономерности вновь разрабатываемых процессов, что будет использовано при последующей апробации создаваемых технологий в опытно-промышленных и промышленных масштабах.